水工大体积混凝土抗裂实践与研究——以太湖治理新沟河江边枢纽工程为例

范天

(1.江苏省太湖水利规划设计研究院有限公司， 江苏 苏州 215128；2.江苏省太湖治理工程建设管理局， 江苏 南京 210029；3.江苏省水利建设工程有限公司， 江苏 扬州 225007)

经国家和江苏省发改委审批实施的太湖治理新沟河江边枢纽工程是新沟河连通长江的控制性建筑物[1]。其船闸闸室采用钢筋混凝土整体大跨度结构，属水工大体积混凝土结构(见图1)。设计和施工采取多重控制措施，有效地避免了结构有害裂缝的产生，2期闸站工程在此基础上继续采取相关抗裂措施，整个工程在结构抗裂方面施工效果较为理想。

1 工程概况

工程位于江苏省江阴市境内的新沟河入江口，由大(2)型泵站(Q=180 m3/s)、中型挡潮节制闸(五孔总净宽B=48 m)、Ⅴ级船闸(净宽16 m)和鱼道4个部分组成。本文重点研究和实践的船闸按通行300～500 t标准货船设计，上下闸首之间总长220 m，闸室尺度16 m×180 m×3.0 m(长×宽×高)。船闸基础坐落在粉砂土地基上[2]，厚度5～8 m，中等透水，地基允许承载力85～100 kPa，为松软透水地基，需进行地基加固处理。下卧层为中密-密实的粉砂土，承载力180 kPa。

2 大体积混凝土定义

2.1 国内相关规范定义

《普通混凝土配合比设计规程》的定义：体积较大的、可能由胶凝材料水化热引起的温度应力导致有害裂缝的结构混凝土[3]。

《大体积混凝土工程施工规范》的定义：结构物实体最小几何尺寸不小于1 m 的大体量混凝土，或预计会因混凝土中胶凝材料水化引起的温度变化和收缩而导致有害裂缝产生的混凝土[4]。

图1 复合地基上的整体大跨度闸室结构示意(单位：cm)

2.2 国外相关定义

美国混凝土学会(ACI)将大体积混凝土定义为：任何就地浇筑大体积混凝土，其尺寸之大，必须采取措施解决水化热及随之引起的体积变形问题，以最大限度地减少开裂。

日本建筑学会(JASS5)将大体积混凝土定义为：结构断面最小尺寸在80 cm 以上，同时水化热引起的混凝土内最高温度与外界气温之差预计超过25℃的混凝土。

3 裂缝成因分析

国内外大量实践证明[5-6]，大体积混凝土裂缝主要是由温度变化引起的，是混凝土自身强度和抵抗变形的能力与温度应力和应变同步矛盾发展的结果。温度变化导致混凝土体积胀缩变形，当其内外部受到约束不能自由变形时，就会积聚应力，大体积混凝土后期的温降或失水将导致混凝土收缩产生拉应力，当拉应力达到并超过混凝土抗拉强度时，混凝土结构就会产生裂缝。

大体积混凝土温度变化分为温升和温降两个阶段，温升阶段发生早而快，温降阶段相对迟而缓。大体积混凝土在浇筑和强度发展过程中，早期温度迅速上升，通常3～5 d达到峰值，持续一段时间后开始缓慢降温。温度升降变化产生体积胀缩，其线胀缩值符合ΔL=L0×a×ΔT(a为线膨胀系数)的规律。

混凝土的特点是抗压强度高而抗拉强度低，混凝土导热性较差、散热慢。在混凝土浇筑成型的早期，其内部温度会很快升高，其中，水泥水化放热是混凝土内部温升的主要原因，而大体积混凝土结构物一般断面较厚，混凝土水化反应释放的热量聚集在结构物内部不易散发。混凝土在早期快速升温阶段总体上处于热膨胀状态，由于早期混凝土的强度和弹性模量都很低，混凝土自身约束小，徐变大，温度升高产生内部超强拉应力的可能性较小，所以早期温升阶段的体积膨胀一般不会对混凝土产生有害影响，通常不会产生混凝土内部裂缝。但在后期的温降阶段，混凝土从热膨胀的最大变形开始降温收缩，随着混凝土龄期和强度的增长，弹性模量逐渐增高，对混凝土内部降温收缩的约束也就愈来愈大，加上外部约束(如地基或先期成型混凝土的固支约束)作用，降温收缩与失水干燥收缩叠加在一起时，大体积混凝土内部或外表面将产生超强的拉应力，当拉应力达到并超过混凝土自身抗拉强度时，就会导致混凝土结构裂缝的发生。起初的细微裂缝会引起应力集中，裂缝可逐渐加宽加长，甚至产生结构有害裂缝[5]。

4 闸室结构的大体积混凝土特征

该工程船闸闸室采用水泥搅拌桩复合地基上的倒“∏”型钢筋混凝土整体结构(见图1)，混凝土强度等级为C25，结构设计主要尺度：闸室分节长度15 m，共12节，闸室净宽16 m，闸室底板总宽21.5 m，闸室墙高10 m。根据结构承载需要，底板断面设计为变截面结构，厚1.0～1.8 m，地基约束条件为底板底面与粉砂土上的水泥搅拌桩复合地基直接接触；墩墙为固支于底板上的悬臂式变截面结构，根部厚1.6～2.5 m。常规施工条件下，底板与墩墙一般需先后浇筑施工，墩墙底部受先期成型的底板结构的约束。对照以上关于大体积混凝土的相关规定，由于结构跨度也较大，需要设计结构厚度超过1 m，且闸室结构单体体积1 015 m3，结构体量也较大。根据工程实践经验，结构内外温度变化和混凝土收缩，将导致闸室结构在底板顶面以及墩墙根部以上约1/3的高度范围内可能产生有害裂缝。该工程的大跨度整体闸室结构应归类于水工大体积混凝土结构[3-4]，需按大体积混凝土的设计要求采取相应抗裂措施。

5 抗裂措施

避免有害结构裂缝的发生是该工程大体积混凝土结构设计实践成败的关键。大量研究成果表明，大体积混凝土中的温度裂缝是不可避免的，因此采用合理的措施来防治和控制裂缝的发展是关键。

根据裂缝成因分析，大体积混凝土裂缝的主要影响因素涉及结构物的体型体量、约束条件、混凝土的各组成材料的特性以及施工条件等。结合整体闸室大体积混凝土结构特点，本文基于裂缝成因分析，研究并落实相应抗裂措施，尽量消除各种抗裂不利因素，确保结构不出现有害裂缝。

5.1 结构措施

通过对大跨度结构的优化，结构设计应从地基约束、结构尺度、体量以及抗裂配筋等方面，消除各种抗裂不利的因素，满足大体积混凝土抗裂要求。

5.1.1 改善地基约束条件

该工程为松软粉砂土地基，中等透水，承载力仅85 kPa。为了满足弹性地基条件下的常规结构设计需要，一方面通过降排水对砂性土地基进行预压密实；另一方面，采用水泥搅拌桩复合地基，复合土层压缩模量大大提高，地基承载能力和抵抗变形的能力随之提高，对结构受力较为有利，复合地基条件较天然地基有较大改善[2]。

5.1.2 合理选择结构块体尺度

结构单体尺度越大，受地基约束的影响就越大，合理确定结构块体长度，可改善大体积混凝土来自地基的约束作用。该工程闸室底板总宽21.5 m，基本接近规范规定的软基上最大结构单体尺度。长度方向考虑地基约束条件对大体积混凝土的不利影响，尺度宜小，根据通航尺度及相关设计需要，闸室总长180 m，分节尺度取15 m，共分为12节。

5.1.3 优化结构体量

设计应满足防渗、抗浮、承载等需要，在合理确定结构块体尺寸的基础上，还应尽量控制单体结构体量，根据结构设计需要控制断面体量大小；依据不同工况计算结果，通过设计优化，节省混凝土量的同时，进一步精减冗余结构体量。

为了满足弹性地基条件下的常规结构设计需要，大跨度闸室结构厚度应满足1/10～1/8跨度的要求，底板厚度应在1.9～2.3 m之间取值，如采用天然地基，虽然勉强满足要求，但由于地基条件较差，底板厚度取值宜大不宜小；由于结构厚度增大，地基应力较大，将导致闸室沉降变形增大，对大跨度、大体积混凝土结构受力较为不利。

通过简单的地基处理，不但可改善地基约束条件，而且边荷载作用影响明显减小。计算结果显示，大跨度底板结构跨中内力明显减小，底板厚度取下限值即可满足要求；经设计优化后，闸室底板的大体积混凝土厚度由1.9～2.3 m减小到1.8 m，底板厚度减小 0.5 m，底板结构体量缩减量超过15%。

另外，结合弹性地基上的整体闸室结构受力特点，底板和墩墙均按变截面结构进行优化。一方面，悬臂式墩墙自底部向上为自由端，结构内力随挡土高度减小而逐渐减小，结构断面可按渐变缩减处理，墩墙厚度自下而上由1.8 m缩减为 0.4 m；另一方面，整体闸室结构的底板两端与悬臂式墩墙固支，设计对悬臂式墩墙底部固支节点处增设 0.8 m×1.2 m贴角予以加强后，将底板两端各1/4跨长范围内的底面向上渐变翘起 0.8 m。不但保证了底板与墩墙固支节点处的刚度，而且施工开挖深度减小，挡土和挡水高度减小，两侧悬臂结构承受的内力和固支节点向大跨度底板传递的内力均降低。通过变截面设计优化，进一步减小大体积混凝土结构体量。

5.1.4 配置抗裂钢筋

混凝土抗压、钢筋抗拉是普通钢筋混凝土的主要工作机理，二者有机结合，可使钢筋混凝土结构具有较强的承载能力。其中，混凝土结构中的拉应力主要由钢筋承担，对于大体积混凝土结构，在温度应力作用下不满足抗裂要求时，应配置温度钢筋限制裂缝扩展[7-8]。由各种工况条件下的结构受力特点可知，整体结构中底板沿跨度方向在跨中面层和跨端底层内力较大，悬臂式墩墙受土压力、水压力作用，临土侧竖向内力较大。因此底板顺闸宽方向和墩墙临土侧竖向均需按承载力极限状态(底板为受弯构件、墩墙为偏心受压构件)计算配筋，并按正常使用极限状态验算裂缝开展宽度。以上部位一般需要配筋较大，而底板垂直闸宽方向和墩墙水平向内力较小，一般为构造性配筋，配筋量较小。

在施工过程中，大体积混凝土的温度作用一般发生在混凝土浇筑成型期和混凝土固化期。早期的温度作用主要表现为升温膨胀，对尚未固结成型、具有较强徐变能力的混凝土基本无害，而有害的温度作用往往出现在混凝土固化期，温度作用表现为降温收缩产生拉应力。根据常规施工加载程序，大体积混凝土中温度应力一般不可能与设计常规荷载遭遇或组合。计算复核结果显示，按结构受力条件配置的受力钢筋一般能起到限制温度应力的作用，其钢筋配置基本可满足温度作用的配筋要求，不需要额外增加温度钢筋；但在构造配筋的部位，由于大体积混凝土中不可避免的温度作用，按构造要求配置的架立钢筋，一般难以满足温度作用下的配筋需要。

对照《水工混凝土结构设计规范》(SL191-2008)第11.2条“关于大体积混凝土在温度作用下的裂缝控制”规定，大体积混凝土的抗裂配筋需作专门设计，其主筋和架立钢筋，除了需要满足结构构造要求外，还要满足大体积混凝土温度作用的要求。根据大体积混凝土抗裂计算需要确定配筋量，通过钢筋的超强抗拉作用，有效限制裂缝扩展。

弹性地基上的大体积混凝土结构，可利用混凝土应力松弛系数进行徐变温度应力计算[7]。将时间划分为n个时段，计算每一时段首末的温度ΔTi、混凝土线热涨系数ac及该时段的平均弹性模量Ec(τi)，然后求得第i时段Δτi内弹性温度应力的增量Δσi，并利用松弛系数考虑混凝土的徐变。根据SL191-2008第11.2条规定，计算时刻t徐变温度应力σ*·(t)如下：

(1)

式中，t为计算时刻的混凝土龄期；τi混凝土在第i时段中点的龄期；Kr(t,τi)为混凝土的应力松弛系数。

大体积混凝土在温度作用下的抗裂验算应符合：

σ*(t)≤εt(t)Ec(t)

(2)

εt(t)=[0.655arctan(0.84t)]ε(28)

(3)

Ec(t)=1.44[1-exp(-0.41t0.32)]E(28)

(4)

式中，εt(t)为计算时刻t时的混凝土允许拉应变，对于不掺粉煤灰的混凝土可按式(2)计算；Ec(t)为计算时刻t时的混凝土弹性模量，N/mm2;ε(28)为28 d 龄期混凝土的允许拉应变，对于C25混凝土为0.6×10-4；E(28)为28 d龄期的混凝土弹性模量，N/mm2。

按抗裂设计成果，闸室结构抗裂配筋如下。

(1)底板抗裂钢筋。正常架立配筋Φ12～14@200，计算结果显示，温度钢筋比主筋小，但比普通架立钢筋大，该工程按Φ18@200配置。

(2)墩墙抗裂钢筋。正常架立配筋Φ14～16@200。由于温度作用早于其它荷载出现，设计将墩墙水平钢筋布置于外侧；对厚度较大且受底板约束较大的下部约1/3H范围内的墩墙水平分布钢筋，经抗裂验算，实际配筋为Φ16@100。

(3)设置抗裂暗梁。在大体积混凝土内部出现较大拉应力、计算必须配置抗裂钢筋时采用。可设置一道或几道抗裂暗梁，配置抗裂钢筋，限制混凝土内部裂缝扩展。该工程架立筋加大并采取了有效的温控措施后，抗裂验算均满足要求，不需要再设置抗裂暗梁。

5.2 温控措施

5.2.1 温控原理

大体积混凝土中，水泥水化热引起温升，在绝热状态下混凝土内部的温度可用SL191-2008规范附录G中混凝土的热学指标计算[7]：

T=T0+Tt

(5)

Tt=WQt(1-0.75P)/Cρ

(6)

Qt=Q0[1-exp(-mtn)]

(7)

式中，T为在绝热状态下不同龄期混凝土内部温度，℃；T0为浇筑温度，℃；Tt为在龄期t时绝热温度，℃；P为粉煤灰掺量百分数；C为混凝土比热，取0.96 KJ(kg·℃)；Qt为龄期t时的累积水化热，随水泥品种取值不同，kJ/kg;Q0为最终水化热，随水泥品种取值不同，kJ/kg;W为包括水泥及煤粉灰的胶凝材料用量，kg/m3;ρ为煤粉灰掺量的百分数。

实际上，由于混凝土浇捣时总是暴露在大气中，与大气存在热量交换，处于散热而非绝热状态中，混凝土由水泥水化热引起的温升远比绝热条件下最终水化热的温升要小。另外，混凝土内部最高温升还与浇筑块的厚度有关，块体越薄散热越快，最高升温越低；反之块体越厚散热越慢，则最高升温越高。因此，工程实践中引入一个与浇筑厚度有关的系数ξ，内部最高温度改用以下公式：

T=T0+ξTt

(8)

相关研究成果显示，对于厚度超过1 m的大体积混凝土，内部绝对温升可达35℃～50℃，随结构厚度增大，内部绝对温升甚至更高。由温差引起的变形和应力值计算公式为

ΔL=L(t2-t1)α

(9)

σt=EcΔL/L=Ec(t2-t1)α

(10)

式中，ΔL为构件变形值；L为构件长度；t2-t1为温度变化值；α为温度膨胀系数；σt为温度应力。

混凝土降温时，热量从内向外传递扩散，表面散热快，温度低，从而形成内外温差，由理论公式计算出允许内外温差为10℃左右。但由于构件不可能受到绝对约束，混凝土也不可能完全没有徐变和塑性变形，大量统计资料显示，多数工程混凝土的内外温差在10℃～25℃尚未开裂。因此，我国规范对大体积混凝土浇筑时规定内外温差控制在25℃之内，JASS5直接将温差大于25℃的混凝土划归大体积混凝土。

另外，环境温度越低，产生内外温差越大，引起混凝土开裂的机率增加，可采取表面覆盖措施控制温差，以防止混凝土表面散热过快。根据以上理论分析，大体积混凝土施工中，考虑温度应力的影响，并设法减缓最高温升、降低混凝土内部最高温度，减小其内外温差，是防止裂缝产生的最为直接和有效的手段。

5.2.2 主要措施

温控措施具有适用性和灵活性，以及能够控制整个结构物内部温度，在国内外得到广泛应用。

根据大体积混凝土温升原理，按温度作用设计要求，结合工程实际和施工条件，闸室结构设计直接给出了有效的温控辅助措施，并明确提出混凝土内外温差控制小于25℃的要求。在混凝土内部预埋冷却水管，利用水管内流通的恒温冷水(4℃)带走大体积混凝土内部积聚的水化热，削减浇筑层水化热温升[9-13]。

温控具体做法为：在每块混凝土浇筑之前，预先布置并固定冷却水管(铁管，管径 3.81 cm，壁厚2 mm)，底板或墩墙厚度方向均布置3层，水平及竖向间距小于1 m，每层支管设总管(管径10.16 cm)集中供排水。结合该工程粉砂土地基以及地下水源较为充沛的特性，可直接引接降排水获得的地下水，作为恒温冷却水源，用水泵和闸阀控制冷却水的循环或外排；混凝土中预埋适当数量的温度传感器，监控混凝土凝固过程中的内部温度，并根据检测数据调节通水量。通过通水冷却措施，降低混凝土结构内部温度，与外部保温、保湿措施共同作用，有效控制混凝土内外温差。通水结束后，水管内采用压力水泥浆充填封堵。

5.3 收缩补偿措施

大体积混凝土所处降温阶段通常也是结构干燥失水的阶段，两种作用都将导致大体积混凝土收缩产生拉应力，互相叠加后破坏作用增强。鉴于此，如果设计采取适当的补偿混凝土收缩的措施，使得混凝土自身具有微膨胀、低收缩的特性，可改善混凝土抗裂性能。

5.3.1 掺加高效复合型抗裂外加剂

根据工程实践经验，混凝土浇筑基本为泵送，泵送混凝土坍落度较大，大体积混凝土产生水化热较高，混凝土自身胀缩变形较大。为了适度控制自身变形，设计采用适合于泵送的高效抗裂复合材料，掺量为胶凝材料的10%左右。该材料为多组分复合材料，主要成分为微膨胀剂和聚丙烯纤维[14]，前者补偿混凝土收缩，后者减小混凝土脆性，提高混凝土抗拉强度，加上保水组分及改性组分等多种材料的共同作用，从阶段抗裂、层次抗裂等多方面达到全程抗裂目的。

5.3.2 掺加减水剂

掺加高效缓凝型减水剂也是改善大体积混凝土自身抗裂性能的有效措施之一。可降低单位用水量，从而降低水泥用量；缓凝型减水剂还有抑制水泥水化作用，可降低水化温升，延迟水化热释放速度，热峰也有所降低；同时，减水剂可缓凝，避免冷接缝，提高工作性及流动性，有利于泵送施工。

5.4 施工控制措施

尽管在设计环节已明确了多项抗裂措施要求，但大体积混凝土抗裂是一个综合而复杂的课题，涉及各个环节的多种因素。其中，只要某个环节出现对抗裂不利的因素，就有可能导致裂缝发生，所以仅从设计环节采取措施是不够的。工程施工时，必须按施工规范中大体积混凝土相关要求实施，才能确保工程抗裂安全。根据相关规范要求，设计以施工图说明的形式，从原材料、配合比、施工温度控制以及大体积混凝土的养护等方面提出了相关施工技术要求。

5.4.1 原材料及配合比控制

水泥水化产生水化热是大体积混凝土发生温度变化而导致体积变化的根源。由于矿物成分及掺合料含量不同，水泥水化热差异较大。为降低水化热、减小体积变形，大体积混凝土需优先选用水化热较低的水泥[15]，严格控制水灰比，降低混凝土绝热温升。

根据混凝土配合比设计原理可知，一方面骨料粒径越大，其表面积和空隙率越小，混凝土中水泥浆及水泥用量就越小，因此，应尽可能采用较大的骨料粒径；另一方面，还应降低水泥用量，掺用混合材料。掺合料可以有效降低水化的峰值温度，推迟水化温峰的出现时间，随掺合料掺量的增大，温峰出现的时间延迟。该工程通过掺加优质(一级)粉煤灰[16]，控制骨料粒径和级配，并添加适当的掺合料，优化混凝土配合比，从源头上控制混凝土的内部温升。

5.4.2 施工温度控制及监测

混凝土入模温度取决于各种原材料的初始温度，应严格控制入仓温度，必要时，入仓前可采取适当的降温措施。主要方法是施工时加冰冷却拌和水、骨料、水泥，尽量选择较低气温时段浇筑混凝土。

大体积混凝土裂缝，特别是表面裂缝，主要是由于混凝土中产生了温度梯度。为了使内外温差降低，可采用表面保温方法，使混凝土内外温差降低。常用的保温材料有模板、草袋、湿砂、锯末等，保温材料不仅要放置在混凝土的表面，还要注意结构物四周的保温。

对大体积混凝土进行温度跟踪监测，可及时准确地掌握混凝土各部位温度变化，以便采取措施降低内部温度，保证工程质量。混凝土温升最快的阶段在浇筑后1～5 d，每1h读取数据一次，以后数据读取时间可适当延长，通过整理、归纳，形成系统的温控数据资料。该工程温控监测数据资料显示，按设计温控措施加上施工辅助措施实施后，大体积混凝土内部最大温升均控制小于25℃，施工温度控制效果良好。

5.4.3 混凝土浇筑时段及养护

合理安排混凝土浇筑时间。高温季节尽量安排在16：00至翌日10：00前进行，以减少混凝土温度回升。冬季避免在夜间低温时段浇筑，同时进行保温养护，在混凝土表面覆盖塑料薄膜和草帘，减小混凝土内外温差。混凝土浇筑后，安排专人及时洒水养护，并适当延迟侧向模板的拆模时间，以保持混凝土表面温度和湿度，避免气温陡降和快速失水引起混凝土表面的收缩裂缝。

6 结 语

本文基于新沟河江边枢纽船闸整体闸室结构，对水工大体积混凝土结构抗裂进行了实践与研究。通过改善地基约束条件、优化结构体量并采取布管通水冷却、掺抗裂外加剂以及配置温度钢筋等多个抗裂措施加以控制。结合施工环节的自拌混凝土原材料及配合比控制、温度控制及监测、浇筑及养护等方面的控制措施，实现了大体积混凝土内外温差小于25℃的控制目标。船闸完建时，经专项检测，闸首和闸室共28个大体积墩墙的裂缝常见部位均未有裂缝发生。在此基础上，2期闸站工程继续采取各项抗裂措施，后续闸站大体积混凝土也未有裂缝发生，总体抗裂效果明显。目前，工程已验收通水，正准备完工验收。实践证明，该工程研究并采取的多重抗裂措施行之有效，取得了理想的抗裂实施效果。

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